检测核心技术的发展及概述.docx

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检测核心技术的发展及概述

　一、检测技术新发展

检测技术是科技领域重要构成某些，可以说科技发展每一步都离不开检测技术配合，特别是极端条件下检测技术，已成为深化结识自然重要手段。

近几十年来,随着电子技术迅速发展，各种弱物理量（如弱光、弱电、弱磁、小位移、微温差、微电导、微振动等）测量有了长足发展,其检测办法大都是通过各种传感器作电量转换，使测量对象转换成电量，基本办法有：

相干测量法，重复信号时域平均法，离散信号记录平均法及计算机解决法等。

但由于弱信号自身涨落、传感器自身及测量仪噪声等影响，检测敏捷度及精确性受到了很大限制。

近年来，各国科学家们对光声光热技术进行了大量广泛而进一步研究,。

人们通过检测声波及热效应便可对物质力、热、声、光、磁等各种特性进行分析和研究；并且这种检测几乎合用于所有类型试样,甚至还可以进行试样亚表面无损检测和成像。

还由此派生出几种光热检测技术（如光热光偏转法、光热光位移法、热透射法、光声喇曼光谱法及光热释电光谱法等）。

这些办法成功地解决了以往用老式办法所不易解决难题，因而广泛地应用于物理、化学生物、医学、化工、环保、材料科学等各个领域,成为科学研究中十分重要检测和分析手段。

特别是近几年来，随着光声光热检测技术不断发展,光声光热效应含义也不断拓宽,光源也由老式光波,电磁波、x射线、微波等扩展到电子束、离子束、同步辐射等,探测器也由本来传声器扩展到压电传感器、热释电探测器及光敏传感器,从而适应了不同应用场合实际需要。

1光声光热检测特点

光声光热检测之因此有如此迅速发展并得到日益广泛应用,是由其自身特点所决定。

1.1与普通光谱测量技术相比,光声检测光声信号直接取决于物质吸取光能大小,反射光、散射光对光声检测干扰很小；因而,对于弱信号则可以通过增大入射光功率办法来提高检测信噪比；同步,它还是惟一可用以检测试样剖面吸取光谱办法。

1.2在光声检测中，试样自身既是被测物质，又是吸取光波检测器,因而,可以在一种很宽波谱范畴内进行研究,而不必变化检测系统,给实际操作带来极大以便。

1.3光声效应是研究物质荧光、光电和光化学现象极其敏捷而又十分有效办法，这是由于光声信息是物质吸取了经调制后外界入射能量，由受激态跃迁到低能态而产生,因而,它与物质受激后辐射过程、光化学过程等是互补,从而大大地提高了检测敏捷度。

1.4光声效应还可以用来测量其她某些非光谱研究领域物理量（如薄膜厚度、弹性形变、不透）。

明材料亚表面热波成像等。

当物质吸取强度变化辐射能而使自身加热时,便会在它内部产生热应力、热应变及折射率变化等各种效应；如果采用恰当检测手段及检测系统,便可对其物理、化学性质进行测量和研究。

依照试样特性和检测目不同，可采用不同检测方法。

各种检测办法均有自己相应检测装置。

每个光声光热检测系统,普通都是由强度时变辐射源、光声光热信号检测器和信号解决系统等3个某些构成。

2常用光声光热检测技术有如下几类。

2.1传声器光声检测技术这是当前使用最广泛一种光声检测系统，它合用于固体、液体、气体、粉末及胶体等各种形态物质特性检测,其特点是理论较完善,易于实现定量检测。

该系统重要某些是一种光声腔，用以安装传声器和放置被测试样，检测过程中光—热—声能量转换过程都是在这里发生。

依照其工作方式不同,光声腔又可分为谐振式和非谐振式两大类；物质吸取调制光能后,将在光声腔内形成光声信号,然后再由腔内传声器检测并转换成电信号，最后输入信号解决系统，惯用传声器是电容传声器,它是由一很薄金属膜或镀金属塑料电介质膜与一刚性电极构成,它对体积变化特别敏捷,对气体、固体试样常采用非谐振式，因其体积小，又工作在低调制频率，因此检测敏捷度高；对于流体试样，常采用谐振式,虽其体积较大，工作频率较高，但由于驻波“放大”作用及提高光声耦合等办法，也能达到很高检测敏捷度。

2.2光偏转和光位移检测技术这是一种非接触式检测技术，可以在十分恶劣环境下对试样进行检测，敏捷度极高。

运用这项技术,不但可以检测光热偏转信号,并且还可以检测试样表面位移和表面斜率，因此，它也是观测声波,表面波以及对物质进行无损检测十分有效手段。

当调制光束照射到试样时，试样表面会产生时变位移或振动；普通这种光热位移及光热偏转是非常小,因此采用敏捷高非接触式检测技术十分有利。

这里核心是选取一种抱负光检测系统,并尽量地减少噪声干扰。

当前广泛使用光探测器,如光电倍增管、光电二极管、硅光电池等都是一种能量检测器,因其输出与入射光能成正比,故可采用一种由若干光敏元件阵列构成象限光电探测器来提高敏捷度，还可以运用专门设计电容或位移传感器,应用光相干原理来精准测定简谐振动微小位移。

2.3压电和热释电检测技术某些电介质在外界应力作用下发生形变时，在其表面上产生出束缚电荷,这种效应称为压电效应；反之,电介质在外电场作用下而产生形变现象称为反压电现象。

这一正一反现象，表白在电介质中机械性质与电学性质之间存在着有关行为。

在光声检测中重要是运用正压电效应，即试样受强度调制入射光作用后，产生应力波传递到压电传感器上时,将因正压电效应而输出光信号。

为达到最佳检测效果,必要选取适当压电材料；普通压电材料分单晶体、多晶陶瓷和有机压电体,在光声检测中用得最多是多晶压电陶瓷。

而压电传感器则必要依照检测固体、液体、粉末不同规定，选取相应敏捷度高、屏蔽性好、抗干扰能力强、声阻抗相匹配传感器。

所谓热释电效应（Pyroelectriceffect）是指某些晶体、陶瓷或聚合物因温度变化而引起自发激化强度发生变化,并在特定方向上产生表面电荷现象。

和压电效应同样，并非所有材料均有热释电效应,它与晶体构造关于,只有那些非中心对称晶体点阵才具备这种效应。

热释电检测事实上是运用某些材料热释电效应做成探测器检测热释电信号。

其工作原理是：

一束强度经调制电磁波入射到试样上,在试样内引起热波传到热释电探测器上,使探测器温度升高，并引起探测器材料极化强度发生变化,在其表面产生电荷,并在外电路上形成正比于入射能量输出信号,这种信号可随波长变化,也可随试样位置变化,或者随外界条件（如温度、压力、场强等）而变化，通过这些变化便可研究其光谱性质、热成像及其她关于物理性质。

2.4薄弱信号检测技术薄弱信号是实际检测中经常遇到；由于某些有用信号往往会被强于自身数千甚至数十万倍噪声所沉没,因此必要采用必要手段将被覆盖信号从噪声中提取出来。

在光声检测中惯用模仿弱信号检测装置是锁相分析仪和Boxcar积分仪。

锁相分析仪又叫锁相放大器，惯用于检测周期性持续信号；它重要是由信号通道、参照通道及有关器3某些构成。

有关器是它核心某些，它重要是由乘法器和积分器构成；为了同步测出输入信号幅值和相位，普通锁相分析仪采用两个有关器。

在实际应用中,应依照检测信号特性,选取恰当交流和直流增益及积分时间常数，以便获得最佳检测成果。

Boxcar积分器用于检测非周期性持续信号，是一种通过信号多次平均而改进信号信噪比装置，因此又叫Boxcar平均器，可用来检测沉没在噪声中重复脉冲平均幅值和恢复被噪声模糊重复信号波形。

它重要是由信号通道和时基单元构成。

信号通道由宽前置放大器、迅速采样开关和RC取样积分器构成。

在实际应用中,一方面拟定窗口宽度,再按改进信噪比规定设立RC，然后由被测波形覆盖范畴来选取延迟范畴，依上面3个参数来拟定扫描时间,以获得较好检测成果。

光声光热检测应用光声检测技术由于具备敏捷度高，可检测波谱范畴宽,特别是它几乎合用于所有类型试样,使之在众多领域获得越来越广泛应用，前景十分诱人。

3.1固、液材料定量分析自20世纪80年代开始，许多科学工作者分别测定了无机材料、有机材料、半导体光声谱，并通过光声谱对材料组元和成分作定量分析。

有人提出,这种新办法可以用来测定谷物中农药含量、药片中添加剂、食品中着色剂及法医检测分析等。

提高用途与价格比和定量分析能力，是光声光热检测设备商业化及扩大该技术应用范畴核心，已有不少科学工作者致力于这方面研究与开发。

对于液体材料，光声谱法和热透镜法都是敏捷度极高分析办法，已有人成功地将其应用于溶液痕量和超痕量分析，检测限比老式分光光度法提高2～3个数量级,为分析化学开创了新应用前景。

3.2气体分析光声技术是检测微量气体浓度一种极为有用技术,运用激光光源高强度功率及单色性激光光声谱可达到很高检测敏捷度和辨别率。

因而,，它特别合用于薄弱吸取气体检测。

这项技术不但为气体分子光谱学研究提供了一种新颖技术，并且也为大气污染监测开辟了一条光明道路，它可以有效地克服其她检测低浓度物质办法缺陷。

3.3表面与界面研究表面和界面现象是一种很普遍现象，许多自然现象、生理现象和科学研究,几乎都涉及到各种表面与界面。

长期以来都是使用反射光谱仪和扫描电镜等工具,对表面解决规定严格，手续繁杂，由于光声检测信号只与吸取光能关于，使光声技术对表面和界面研究具备与众不同独特之处；由于光声谱（PAS）是测定由物质吸取光谱变成热而引起压力波,故能直接理解为对表面敏感测定。

应用光声技术研究表面可以达到单分子层水平，如采用高辨别率光源,还能获得各种状况下表面氧化作用,还原作用和钝化重要信息,对研究表面构造及表面间互相作用机制有着实际意义。

3.4在生物医药上应用光声光热技术最大长处是试样可以不通过解决直接进行测定,因而保存了原试样自然状态,应用在生物医药上，可进行活体和剖面深度断层分析,因而可以获得正常和变异生物过程及病理学方面有价值信息；近年来，它已应用于细胞组织、细菌繁殖过程、药物合成和渗入、植物光合伙用及光声免疫反映研究；因可以找出组织病理和疾病之间内在联系,为初期诊断（涉及癌变）提供了有价值临床诊断工具。

随着检测技术不断发展和完善,人们对光声光热检测技术结识也将逐渐深化，并且又因其自身特点及功能多样化，其应用领域必将不断拓展。

可以预期在不远将来，光声光热检测技术会成为各个领域广泛使用常规研究和分析手段；如与既有检测技术相结合,将会在工业上实时检测、质量控制和产品分析等领域获得越来越广泛应用。

光声光热检测技术仍属发展中新技术，需要不断完善和改进，尚有许多问题有待进一步开发和摸索。

可以相信，一种广泛使用和发展光声光热技术时代必然会到来!

二、无损检测技术应用

所谓无损检测技术，是指在不破坏或不变化被检物体前提下，运用物质因存在缺陷而使其某一物理性能发生变化特点，完毕对该物体检测与评价技术手段总称。

它由无损检测和无损评价两个不可分割某些构成。

一种设备在制造过程中，也许产生各种各样缺陷，如裂纹、疏松、气泡、夹渣、未焊透和脱粘等；在运营过程中，由于应力、疲劳、腐蚀等因素影响，各类缺陷又会不断产生和扩展。

当代无损检测与评价技术，不但要检测出缺陷存在，并且要对其作出定性、定量评估，其中涉及对缺陷定量测量（形状、大小、位置、取向、内含物等），进而对有缺陷设备分析其缺陷危害限度，以便在保障安全运营条件下，作出带伤设备可否继续服役选取，避免由于设备不必要检修和更换所导致挥霍。

当代工业和科学技术飞速发展，为无损检测技术发展提供了更加完善理论和新物质基本，使其在机械、冶金、航空航天、原子能、国防、交通、电力、石油化工等各种工业领域中得到了广泛应用。

它被广泛应用于制造厂家产品质量管理、顾客订货验收检查以及设备使用与维护过程中安全检查等方面，例如锅炉、压力容器、管道、飞机、宇航器、船舶、铁轨和车轴、发动机、汽车、电站设备等等方面，特别是在高温、高压、高速、高负载条件下运营设备。

无损检测技术涉及超声检测、射线检测、磁粉检测、渗入检测、涡流检测等常规技术以及声发射检测、激光全息检测、微波检测等新技术。

常用分类形式如表所示。

实践证明，开展无损检测技术，对于改进产品设计制造工艺、减少制导致本以及提高设备运营可靠性等具备重要意义，已成为机械故障诊断学一种重要构成某些。

三、超声波检测

超声波检测是无损检测重要办法之一。

1运用声响从物体外界不损坏地检测其内部状况办法早就问世了。

超声波检测就是运用电振荡在发射探头中激发高频超声波，入射到被检物内部后若遇到缺陷，超声波会被反射、散射或衰减，再用接受探头接受从缺陷处反射回来（反射法）或穿过被检工件后（穿透法）超声波，并将其在显示仪表上显示出来，通过观测与分析反射波或透射波时延与衰减状况，即可获得物体内部有无缺陷以及缺陷位置、大小及其性质等方面信息，并由相应原则或规范鉴定缺陷危害限度办法。

2超声波检测具备敏捷度高、穿透力强、检查速度快、成本低、设备简便和对人体无害等一系列长处，既适合在制造厂生产线上成批检查，也可以用于野外作业。

3超声波之因此被广泛地应用于无损检测，是基于超声波如下特性

3.1指向性好超声波是一种频率很高、波长很短机械波，在无损检测中使用超声波波长为毫米数量级。

3.2它像光波同样具备较好指向性，可以定向发射，犹如一束手电筒灯光可以在黑暗中寻找所需物品同样在被检材料中发现缺陷。

3.3穿透能力强超声波能量较高，在大多数介质中传播时能量损失小，传播距离远，穿透能力强，在有些金属材料中，其穿透能力可达数米。

4超声波检测应用实例

超声波检测既可用于锻件、棒材、板材、管材以及焊缝等检测，又可用于厚度、硬度以及材料弹性模量和晶粒度等检测。

下面简述超声波检测几种应用实例。

1．螺栓超声波检测电站中高温高压部件（如汽缸、主蒸汽门、调速汽门等）用螺栓，在运营中经常有断裂现象。

紧固螺栓螺纹根部产生裂纹是沿螺栓横断面发展横向裂纹，中心孔加热不当产生内孔裂纹也是横向裂纹。

因而将直探头放在螺栓端面上探测，声束刚好与裂纹面垂直，对发现这些裂纹很有利。

2．车轴超声波检测车轴是机车、车辆运营时受力核心部件之一，它在水气浸蚀中承受载荷，容易产生裂纹，多数是危险性较大横向裂纹。

经常采用横波探伤法和小角度纵波探伤法。

3.非金属材料超声波检测超声波在非金属材料（塑料、有机玻璃、陶瓷、橡胶、混凝土等）中衰减普通都比金属大，为了减小衰减而多采用低频检测，普通为20～200kHz，有也用2～5MHz。

为了获得较窄声束，常采用较大尺寸探头。

四、射线检测

1射线检测基本原理

射线检测是以X射线、γ射线和中子射线等易于穿透物质特性为基本。

其基本工作原理为：

射线在穿过物质过程中，由于受到物质散射和吸取作用而使其强度衰减，强度衰减限度取决于物体材料性质、射线种类及其穿透距离。

当把强度均匀射线照射到物体上一种侧面，在物体另一侧使透过射线在照相底片上感光、显影后，就可得到与材料内部构造或缺陷相相应黑度不同图象，即射线底片。

通过观测射线底片，就可检测出物体表面或内部缺陷，涉及缺陷种类、大小和分布状况并作出评价。

2射线检测对缺陷形象非常直观，对缺陷尺寸、性质等状况判断比较容易。

采用计算机辅助断层扫描法还可以理解断面状况，可以进行自动化分析。

射线检测对所测试检查物体既不破坏也不污染，但射线检测成本较高，且对人体有害，在检测过程中必要注意要妥善保护。

3工业上惯用是X射线、γ射线检测。

2射线检测（照相法）特点和合用范畴

射线检测是一种惯用于检测物体内部缺陷无损检测办法，它几乎合用于所有材料，检测成果（照相底片）可永久保存。

但从检测成果很难辨别缺陷深度，规定在被检试件两面都能操作，对厚试件曝光时间需要很长。

对厚被检测物来说，可使用硬X射线或γ射线；对薄被检物则使用软X射线。

射线穿透物质最大厚度为：

钢铁约450mm、铜约350mm、铝约1200mm。

对于气孔、夹渣和锻造孔洞等缺陷，在X射线透射方向有较明显厚度差别，虽然很小缺陷也较容易检查出来。

而对于如裂纹等虽有一定投影面积但厚度很薄一类缺陷，只有用与裂纹方向平行X射线照射时，才可以检查出来，而用与裂纹面几乎垂直射线照射时就很难查出。

这是由于在照射方向上几乎没有厚度差别缘故。

因而，有时要变化照射方向来进行照相。

结束语

计算机与微电子技术高速发展，使得仪器仪表业发生革命性变革，老式测量仪器都要有独立机箱，在面板上有操作按键和旋钮，有信号输入与输出端口，有显示测量成果批示计或数码窗口等。

每种仪器均有各自专用功能，互相不能通用。

虚拟仪器浮现，使操作者面对不再是专用机箱，而是一台通用计算机。

由传感器或变送器送来信息通过专门接口卡进入计算机，通过软件解决在计算机显示屏上显示测量成果，并发送各种控制信号。

操作者通过鼠标或键盘进行操作。

特别是数字传感器浮现，可省去A/D转换接口卡，更无需模仿量放大等解决，并可远距离传播。

不同传感器可以构成不同仪器，可以共用一台计算机，可以将两台不同性质仪器合在一台计算机上。

虚拟仪器开放性强，具备与其他设备互联能力，可实现对现场实时监测与管理。

其另一特点就是性价比高，它能一机多用；它主体采用是通用计算机，其功能强，质量高，成本远比专用仪器低，由于遍及计算机服务网点，使得仪器能得到及时与星级维修与服务等，这也是专用仪器所不能相比拟。

因而虚拟仪器将在将来测控领域中成为主导中坚，并推动测控技术不断发展与变革。

参照文献

1张成悌检测与产品质量和生产力关系实用测试技术.

（1）.47～48

2郭春梅浅谈虚拟仪器发展及将来趋势实用测试技术..（6）.44～46

3解明芳王鸿钰虚拟仪器仪表技术.1998.（5）

4李国华吴淼.当代无损检测与评价.化学工业出版社.

5刘燕德无损智能检测技术及应用.华中科技大学版社.

致谢

本论文是在牛博英教师指引下完毕。

从论文选题、构造到资料整顿等工作都得到了导师悉心指引。

在撰写论文过程中，导师渊博学识，严谨治学态度，丰富实践经验，循循善诱指引方式，令学生终身受益，谨此表达学生最衷心感谢。